Бутални компресори

МашиниСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 3, 2010

Бутални компресори

Най-старият и все още най-широко използван тип компресори

   Основните параметри, които характеризират работата на един компресор са производителност (обемен дебит) Q; начално налягане p1, крайно налягане (налягане при изхода) p2 и съответно степен на сгъстяване e = p2/p1; консумирана мощност N; честота на въртене n. Тъй като въздухът (газът) е свиваем флуид, във спецификацията на буталните компресори се дава действителният дебит при входа им. По-рядко се използва и т. нар. стандартен дебит, представляващ дебита, приведен към температура 20 oC и налягане 101 325 Ра.
Въпреки голямото разнообразие от използвани конструкции, компресорите могат да се разделят на два основни типа, различаващи се по принципа на действие и вида на работните характеристики.

При обемните компресори
(positive-displacement compressors), определено количество газ се затваря в работна камера, извършваща праволинейно или въртеливо движение. Обемът на газа се намалява механически, което предизвиква съответно нарастване на налягането му, както и преместването му от входа до изхода на машината. Обикновено газът се премества с променлива скорост и течението на изхода е пулсиращо. Това е особено силно изразено при буталните машини.

Принципът на действие на турбокомпресорите
(dynamic compressors) се основава на динамичното взаимодействие между лопатките на работното колело и транспортирания газ. Работното колело извършва въртеливо движение с висока и практически постоянна честота на въртене, като предава енергия на газа. В резултат на това налягането му се увеличава още в работното колело. Същевременно се увеличава и кинетичната му енергия, част от която впоследствие се преобразува в допълнително нарастване на налягането в неподвижните елементи след работното колело (дифузор и спирално тяло). Течението на газа е непрекъснато от входа до изхода, което обяснява отсъствието на пулсации. Към турбокомпресорите се отнасят центробежните и осовите компресори.
Най-съществената разлика между двата основни типа машини се проявява в
зависимостта на налягането от дебита
При фиксирана скорост на задвижване в обемните компресори дебитът остава практически постоянен и не зависи от налягането. При динамичните компресори изменението на налягането е съпроводено с изменение на дебита, като конкретния вид на тази зависимост се определя от геометрията на работното колело и най-вече от формата на лопатките.
От своя страна, групата на обемните компресори се разделя на две – бутални (reciprocating) и ротационни (rotary) компресори.
Темата за ротационните компресори вече е разглеждана в списание Инженеринг ревю. Най-широко разпространение от тях в момента са получили винтовите машини.

Обща характеристика и приложение на буталните компресори
Буталните компресори са най-старият и въпреки това все още най-широко използван тип компресори. Характеризират се с елементарна и компактна конструкция, висока ефективност на сгъстителния процес и сравнително ниска цена. За всички конструктивни модификации е характерно преобразуване на въртеливото движение на двигателя във възвратно постъпателно движение на буталото. Затова и английският термин за този тип компресори е reciprocating compressors.
Те са подходящи за сгъстяване на произволни газове и техните смеси в широк диапазон на плътности – от въглерод с молекулна маса 2, до газове като хлор с молекулна маса 70. Покриват мощности до 18 000 kW, дебити до 40 000 m3/h и налягания от вакуум до около 1000 bar. Предлагат се и изпълнения до 3000 bar. Произвеждат се в едностъпално или многостъпално изпълнение, с въздушно или водно охлаждане. Степента на сгъстяване на едно стъпало е от 1.1 до 5, но най-често около 3, за да се ограничи изходящата температура на газа до максимум 150 0С. Произвеждат се и безмаслени бутални компресори.
Ако налягането на входа се приеме за равно на атмосферното, в зависимост от максималното налягане на изхода на буталните компресори, те могат да се разделят на няколко групи.

Компресори за ниско налягане
сгъстяващи газа до 15 bar. Подобно налягане е необходимо за различните пневматични инструменти, системите за пневмозадвижване и пневмоавтоматика и редица други устройства. Такива машини се наричат най-често компресори за обща употреба, произвеждат се в големи серии и са най-разпространеният вид. В този диапазон все по-често те се изместват успешно от винтовите компресори, което вече бе коментирано на страниците на списание Инженеринг ревю.

Компресори за средно и високо налягане
Компресорите за средно налягане сгъстяват газа до 100 bar. Такива налягания се използват в някои химически производства, хладилната техника, пускови устройства на ДВГ, транспортиране на газове и др. Подобни компресори се произвеждат в по-малки серии.
Компресорите за високо налягане, сгъстяващи газа до 1000 bar. Тези машини се използват при производството на азотни торове, някои видове полиетилен, синтетически бензини и др. Произвеждат се в много малки серии.

Компресори за свръхвисоко налягане
създаващи налягания над 1000 bar. Горната граница не е ограничена. Такива компресори като правило се произвеждат по индивидуална заявка. Използват се, например, в праховата металургия за различни научно-изследователски цели и др.
Обемните компресори се използват и като вакуумпомпи за понижаване на налягането под атмосферното.
Буталните вакуумпомпи могат да понижат налягането до 102 Pa (абсолютно налягане).

Видове компресори според производителността
Буталните компресори могат да се групират и по отношение на производителността.
l Микрокомпресори с производителност до 1 m3/h. Подобни машини се използват за специални нужди в уредостроенето, медицината и др.
l Миникомпресори с производителност от 1 до 40 m3/h. В тази категория попадат някои транспортни компресори, подаващи сгъстен въздух към спирачните системи, лабораторни компресори и др.
l Компресори с малка производителност в диапазона от 40 до 400 m3/h. Те се използват най-често като машини с общо предназначение с налягане до 15 bar в подвижните компресорни станции и др.
l Компресори със средна производителност в диапазона от 400 до 4000 m3/h. Такива машини се използват в компресорните станции на индустриалните предприятия, мините и др.
l Компресори с голяма производителност - над 4000 m3/h. Използват се основно в химическата промишленост.

Класификация според вида на сгъстявания газ
Буталните компресори, в зависимост от вида на сгъстявания газ, се подразделят на въздушни, водородни, азотни, етиленови, кислородни, хелиеви, хлорни и т.н. Видът на газа оказва в по-голяма или по-малка степен влияние върху конструкцията на машината. Например водородните и хелиевите компресори сгъстяват силно течливи газове и изискват специални уплътнения на буталото и пръта.
Буталните компресори са най-често използваните машини в приложения, изискващи сравнително малки производителности до 400 m3/h при произволно голямо налягане. За получаване на високи и свръхвисоки налягания, към настоящия момент се използват изключително бутални машини, тъй като все още не е разработен друг тип компресор, способен в промишлени условия да създава налягания от порядъка на 1000 bar и по-високи.
От гледна точка на енергийните разходи, буталните компресори имат предимство пред всички останали видове компресори, но им отстъпват по отношение на металоемкост, габаритни размери, ремонтопригодност и междуремонтен период, експлоатационни разходи и т.н.

Работен процес на бутален компресор
На фиг. 1 е показана принципна схема на еднодействащ бутален компресор. Буталото извършва праволинейно възвратно движение между лявата и дясната мъртви точки (ЛМТ и ДМТ). Двата клапана - смукателен (СК) и нагнетателен (НК), са снабдени с пружини и сe задействат самостоятелно. Смукателният клапан се отваря, когато налягането в цилиндъра стане по-ниско от налягането в смукателния тръбопровод. Съответно, нагнетателният клапан се отваря, когато налягането в цилиндъра стане по-високо от налягането в ресивера. Компресорът се нарича еднодействащ, защото сгъстяването се извършва само от едната страна на буталото. В края на нагнетателния ход (буталото е в ЛМТ), между буталото и дъното на цилиндъра остава т. нар. вреден  или мъртъв обем (вредно или мъртво пространство).
Работният процес на един бутален компресор се представя най-нагледно в координатна система, по абсцисата на която се нанася обемът на газа V, ограничен от буталото, а по ординатната – абсолютното налягане. В подходящ мащаб абсцисата показва и разстоянието от ЛМТ до буталото. На фиг. 2 са показани последователността от процеси, които образуват един работен цикъл. При движение на буталото от ДМТ към ЛМТ, в началото на хода клапаните са затворени, обемът на газа намалява и налягането нараства от p1 до p2. Това е сгъстителният процес, който се изобразява с линията 1 - 2. Конкретният вид на линията зависи от интензивността на охлаждане и генерираната топлина при сгъстяването. Когато налягането в цилиндъра достигне и надвиши с малко налягането p2  в ресивера, нагнетателният клапан се отваря и газът се нагнетява при постоянно налягане. Този нагнетателен процес се изобразява с изобарата 2 - 3 и продължава до достигане на края на нагнетателния ход в ЛМТ. При последващо движение от ЛМТ надясно започва смукателният ход, в началото на който двата клапана отново са затворени и протича процес на разширение на обема газ, останал във вредното пространство. Този разширителен процес се изобразява с линията 3 - 4. Налягането в цилиндъра се понижава в сравнение със стойността p2 в ресивера до налягането p1 на входа на компресора. Когато налягането се понижи малко под p1 смукателният клапан се отваря и до края на хода се извършва засмукване на газ при постоянно налягане. Смукателният процес се изобразява с линията (изобара) 4 - 1. С това завършва един работен цикъл на буталния компресор.
В общия случай, сгъстителният процес при буталните компресори е политропен, разположен между линиите на обратимия адиабатен (изоентропен) процес и изотермичния процес, както е показано на фиг. 3. Площта под кривата на сгъстителния процес и ординатната ос е пропорционална на работата за извършване на сгъстителния процес. Както се вижда, тя е най-малка при изотермичния процес, т. е. колкото по-добре се охлажда газът в процеса на сгъстяване, толкова по-икономичен е процесът. Работният процес в компресорните стъпала с интензивно вътрешно охлаждане се доближава до изотермичен, а при напълно неохлаждаемо стъпало – към адиабатен.
Политропният процес при идеален газ може да се опише с израза: pVn= const, в който n се изменя между 1, което отговаря на изотермичен процес и показателя на адиабатата k, равен на 1.4 за въздух, при адиабатен процес. Крайната температура T2 на сгъстения газ може да се изчисли с израза: T2=T1(p2/p1)(n-1)/n=T1e(n-1)/n.  Мощността, необходима за сгъстителния процес е: Nc=p1Q((n-1)/n)(e(n-1)/n -1). За практически изчисления, мощността на вала на компресора се определя с израза: N = p1.Q.ln(p2/p1)/1000hizhm, kW където налягането p1 е в Ра, а  дебитът  Q  в m3/s. С hiz е означен т. нар. изотермен КПД, който и е в диапазона 0.65 ё 0.85, в зависимост от интензивността на охлаждането. Механичният КПД обикновено е в границите hm = 0.8 ё 0.95.

Статията продължава в следващ брой на сп. Инженеринг ревю.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top